中心を繰り返しとると全体に届く - 冪零群の定義と性質
中心をとって割る。また中心をとって割る。これを繰り返して全体に届く群が冪零群です[4]。
では 2 回で届きます。 では中心が最初から自明なので、1 歩も進みません。
2 つの列
下中心列を 、 で定めます[3]。交換子をとるたびに小さくなる列です。
上中心列は逆向きに作ります。、[1]。中心の逆像をとって伸ばしていく。
どちらも の正規部分群の列です。 が冪零であるとは、次のいずれかが成り立つことをいいます[4]。
3 番目を中心列といいます。3 つが同値であることを見ます[4]。
中心列 があれば、帰納法で が出ます。 は等号で、 を仮定すると 。だから なら です。
逆に なら、 自身が中心列になる[4]。下中心列は、中心列の中でいちばん速く縮むものです。
上中心列は反対に、いちばん速く伸びるものになります[1]。中心列 を下から番号づけ直すと が同じ形の帰納法で出て、 に届きます。
冪零類は、 となる最小の です[3]。可換群は なので、冪零類 以下。
で止まる
の下中心列を追います[4]。、 です。
次で止まります。 になるためです。実際 と の交換子を計算すると が出るので、[1]。
以降 のまま。 に届きません。 は冪零ではない[4]。
上中心列で見ても同じです。 の中心は自明なので 、その先も動かない。
冪零ならば可解
導来列を 、 とします。冪零なら可解です[4]。
理由は包含 にあります。導来列は下中心列より指数的に速く落ちる。
だから下中心列が に届けば導来列も届きます。逆は成り立ちません。 は可解ですが冪零ではない[4]。
導来列が に届く。 は 2 歩で届く
下中心列が に届く。 は で止まる
中心拡大として作る
冪零類 以下であることは、冪零類 以下の群の中心拡大であることと同値です[4]。
が冪零類 なら なので、 は の中心に入ります。 と置くと で、 は冪零類 以下。
逆に が完全で が の中心に入り、 なら、 です。 が中心にあるので [4]。
中心を 1 段ずつ積むと冪零群になる。これが構成のしかたです。
真部分群は自分より大きい正規化群を持つ
冪零群 と真部分群 について が成り立ちます[4]。
冪零類 についての帰納法です。 なら は可換で 。
とし、中心に含まれる正規部分群 で が冪零類 以下になるものをとります。 は中心にあるので 。
が を含まなければ、 が を含むぶんだけ より大きく、 です。
が を含むなら、 は の真部分群です。帰納法から 。 なので になります[4]。
この性質を正規化群条件といいます。有限群では冪零性と同値です[2]。
群は冪零
位数が の群を 群といいます。 群はすべて冪零です[3]。
証明の芯は、自明でない 群の中心が自明でないことにあります。類等式を書きます。
和は大きさ 以上の共役類の代表についてとります。各項 は より大きい のべきなので で割り切れる。左辺も で割り切れるので、 も の倍数です。 だから 。
これで上中心列が進みます。。 も 群なので、自明でなければその中心も自明でなく、。
は有限なので、真に増え続ける列はいつか止まります。止まるのは が自明になったとき、つまり のときだけ。よって は冪零です[3]。
上三角行列で見る
体 上の 次元空間に完全旗 をとり、次の部分群を考えます[4]。
は対角成分が の上三角行列の全体です。この列は を満たすので、 が中心列になる。 は冪零です[4]。
の場合が Heisenberg 群です。交換子部分群と中心が一致して、、 になる[1]。冪零類は です。
有限群では条件がそろう
有限群では、冪零性がいくつもの言い換えを持ちます[2]。
極大部分群がすべて正規であることも同値です[2]。片方は正規化群条件から出ます。極大部分群 について なので 、つまり 。
逆を見ます[2]。極大部分群がすべて正規だとし、Sylow 部分群 をとります。 とすると、 を含む極大部分群 がある。仮定から なので 。
一方、 と Sylow の理論から が出ます。 を含む部分群で を正規化するものは に限る、という形の主張です。すると で、 が真部分群であることに反する。
よって 、つまりすべての Sylow 部分群が正規になります。
Sylow 部分群の直積
有限冪零群は Sylow 部分群の直積です[3]。証明を書きます。
まず を示します。 が を正規化するとします。 は の Sylow 部分群になる。ところが なので、 の Sylow 部分群は ひとつだけ。よって 、つまり です。
だと、正規化群条件から となり、いま示したことに反します。よって で、すべての Sylow 部分群が正規です。
異なる素数 の Sylow 部分群 をとります。位数が互いに素なので 。どちらも正規なので となり、元どうしが可換になる。
そこで写像 を積で定めると準同型です。核は各成分の位数が互いに素なことから自明で、位数を数えると両辺が一致する。同型になります[3]。
逆向きは簡単です。 群は冪零で、冪零群の有限直積は冪零。だから Sylow 部分群の直積は冪零です[4]。
二面体群はいつ冪零か
の下中心列を計算します[1]。
まず交換子を 1 つ計算します。。回転どうしは可換なので、 です。
から始めて、 が続きます。
が奇数なら なので で、そこから動かない。( は奇数)なら、 の位数は奇数 なので となり、やはり止まります[1]。
届くのは 、つまり が のべきのときだけです。 なら で、冪零類は になります[1]。
の冪零類は 、 は 、 は です。 の側は、いくら進んでも に届かない。
拡大では閉じない
部分群と商群は冪零性を受け継ぎます[4]。有限個の直積も冪零で、冪零類は各因子の冪零類の最大値です。
拡大では成り立ちません。 で と がどちらも冪零でも、 が冪零とは限らない。
が反例です。 も もどちらも可換、つまり冪零類 です。それでも は冪零ではありません。
可解性は拡大で閉じるので、ここが 2 つのクラスの分かれ目になります。中心拡大に限れば冪零性も閉じる、というのが上で見たことでした。
正規冪零部分群の積
正規な冪零部分群 について、 も正規な冪零部分群になります[2]。Fitting が 1938 年に示しました。
有限群では正規冪零部分群が有限個なので、それら全部の積が最大の正規冪零部分群になる。これを Fitting 部分群といい と書きます[2]。
の Sylow 部分群は、 の正規な 部分群のうち最大のもの に一致します[2]。
が冪零であることは と同じ。冪零性は、群の中の「いちばん冪零な部分」が全体に届くかどうかを見ている、と言い直せます。
次のうち冪零群でないものはどれですか。
- 位数 の四元数群
- 位数 の二面体群
- 位数 の二面体群
冪零性は「中心が毎回きちんと現れるか」を見ています。 群では類等式が中心の存在を保証するので必ず現れ、 では最初から中心がないので 1 歩も進まない。有限群で Sylow 部分群の直積という形に落ちるのは、この見方の一番わかりやすい帰結です。












D3≅S3 の下中心列は S3⊃A3⊃A3⊃⋯ で、A3 から動かないので冪零ではありません。位数 8 の四元数群は 2 群なので冪零です。D8 は n=8 が 2 のべきなので冪零で、冪零類は 3 になります。